换流电路的工作原理详解

目前在各种换流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控换流电路，其原理接线如图11-10所示。习惯将其中阴极连接一起的晶闸管称为共阴极组，阳极连接在一起的晶闸管称为共阳极组。同时习惯上希望晶闸管按从1～6的顺序导通，为此将晶闸管按图示顺序编号。

根据电力电子技术中关于晶闸管的知识学习可知，桥阀从关断状态转入导通状态必须同时具备两个条件：①阀承受正向电压，即阀的阳极电位高于阴极电位；②控制极得到足够能量的触发脉冲信号。

1.整流器工作原理

（1）理想情况下工作原理。所谓理想情况是指不考虑阀导通时的延迟（晶闸管触发角α＝0°时），也不考虑变压器漏磁通而产生的绕组电抗（即重叠角μ＝0°）。此时对共阴极的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通，而对于共阳极的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压最低（即负的最多）的一个导通。这样，任何时刻，共阴极和共阳极各有1个晶闸管处于导通状态，且施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图11-11所示。

图11-10　三相桥式换流器原理接线图

图11-11　三相桥式整流器电压α＝0°，μ＝0°时波形

α＝0°时，各晶闸管均在自然换相点换相，由于共阴极组处于导通状态的晶闸管对应最大相电压，共阳极组中处于导通状态的晶闸管对应最小相电压，输出整流电压ud为这两个相电压想减，是线电压中最大的一个，故输出整流电压ud为线电压正半周期的包络线。以上分析说明，整流输出电压波形在一个周期内脉动6次，且每次波形相同，因此算平均值时可只对一个脉冲进行计算。整流电压输出的平均值Ud

式中 E——交流线电压有效值。

为说明各晶闸管的工作情况，将1个周期的波形等分为6段，每段60°，每段导通晶闸管以及输出整流电压情况见表11-2所列。

表11-2　三相桥式全控整流电路电阻负载α=0°时晶闸管工作情况

（2）考虑延迟角情况。从自然换相点到阀的控制极上加以控制脉冲这段时间，用电气角度来表示，称为延迟角，也成为触发角。当触发角α改变时，电路的工作情况发生变化，α＝30°时的波形如图11-12所示。从ωt1角开始把一个周期等分为6段。与α＝0°情况相比，晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每段电压因此延迟30°，ud平均值降低。

图11-12　三相桥式全控整流电路α＝30°，μ＝0°时波形

同理，求其直流电压平均值，可取一个周期的1/6进行积分，直流平均电压：

从上式可以看出，在考虑触发角的情况下，与理想情况相比，直流输出电压改变了一个cosα，改变α，可以改变Ud，从而改变直流输出功率。

（3）考虑延迟角和换相电感情况。三相桥式全控整流电路中当导通的阀从一个换到另一个的过程当中，例如阀V1换相至阀V3，由于系统存在着电感，换流变压器也有漏抗，所以回路中的电流不能突变，即阀V1中的电流不会立即降至零，阀V3中的电流也不会立即上升至额定值，而是存在一个V1和V3共同导通的时间。在这段时间内，相当于交流a、b两相短路，如图11-13所示。

此时换相电压波形如图11-14所示：(www.xing528.com)

图11-13　α＞0°μ＞0°时的换相电流

图11-14　α＞0°μ＞0°时整流器直流电压波形

可求出直流电压平均值Vd

有了重叠角之后，直流输出电压降低了ΔV。

2.逆变器工作原理

鉴于阀的单向导电特点，不论换流器处于整流还是逆变状态，直流电流方向是不变的。因此，要使整流转换到逆变状态以实现功率流动方向改变，需改变直流电压的极性。逆变器原理接线图如图11-15所示。

前面所讨论的整流器工作原理，是在α较小的情况下。若60°＜α＜90°，则换流器直流端电压ud将交替出现正值和负值。如图11-16所示。

图11-15　逆变器原理接线图

图11-16　α＝90°，μ＝0°时换流器电压波形

当60°＜α＜90°时，输出直流电压曲线所围成的正面积大于负面积；当α＝90°时，输出直流电压曲线所围成的正负面积相等；当α＞90°时，输出直流电压曲线所围成的负面积大于正面积；当120°＜α＜180°时，输出直流电压曲线所围成的面积全部是负的；当α＝180°时，达到负的极值。

从以上分析，为了使换流器由整流状态转变为逆变状态，除改变直流电压极性外，还须加大延迟角，使α＞90°。所以对整流范围，0＜α＜90°，对逆变范围90＜α＜180°。在分析逆变状态时，为了方便，通常以超前角β代替延迟角α，即以α＝180°-β这一关系代入整流状况下的公式中，就可以得到逆变状况时的有关公式。

逆变器工作原理与整流器工作原理有很多相同之处，也有一些不同，主要不同点在于逆变器是利用加在阀上的交流电压处于负半周时使阀导通。逆变器工作规律是电流从高电位阀流进，经低电位阀流出。这种情况之所以成为可能。逆变器的电压波形如图11-17所示。

图11-17　逆变器的电压波形